【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 故167起，占89．8％(袁泉，2003)。另312國(guó)道陜西省藍(lán)小公路路段全長(zhǎng)48km，為典型的山區(qū)公路，沿線地勢(shì)險(xiǎn)要，坡大溝深，從1999年到2001年，共發(fā)生交通事故560起，死亡81人，傷363人，直接經(jīng)濟(jì)損失881．384萬(wàn)元(袁偉，2003)。以上調(diào)查顯示，事故主要是由制動(dòng)性能熱衰退引起的，因此有效防止制動(dòng)性能熱衰退，對(duì)社會(huì)來(lái)說(shuō)是有一定價(jià)值和意義的。本課題中將通過(guò)對(duì)鼓式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)及熱衰退原理進(jìn)行分析，并結(jié)合前人對(duì)制動(dòng)系冷卻設(shè)計(jì)的結(jié)晶，設(shè)計(jì)了自動(dòng)控制強(qiáng)制風(fēng)冷卻系統(tǒng)。本冷卻系統(tǒng)通過(guò)感應(yīng)制動(dòng)踏板工況，控制半導(dǎo)體制冷片產(chǎn)生制冷效應(yīng)，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生制冷氣流，氣流流經(jīng)加裝在制動(dòng)鼓外壁的風(fēng)冷翅片，產(chǎn)生制冷效應(yīng)。根據(jù)制動(dòng)器溫度的不同，通過(guò)傳感技術(shù)及電路設(shè)計(jì)，控制半導(dǎo)體制冷片及變頻電機(jī)的功率，從而對(duì)制冷量進(jìn)行調(diào)控。 研究的內(nèi)容及技術(shù)要求本課題用小型空調(diào)為系統(tǒng)提供冷卻氣體，冷卻量的調(diào)節(jié)是通過(guò)半導(dǎo)體制冷片電流量及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。空調(diào)系統(tǒng)工作是由制動(dòng)踏板制動(dòng)信號(hào)自動(dòng)控制的。(1) 系統(tǒng)總體方案的確定；(2) 電路鋪設(shè)；(3) 電動(dòng)機(jī)的選型；(4) 自動(dòng)控制設(shè)計(jì)(5) 保養(yǎng)與維修檢測(cè)對(duì)汽車(chē)鼓式制動(dòng)器智能冷卻系統(tǒng)的要求有以下幾個(gè)要求：(1)工作穩(wěn)定可靠，可適時(shí)適量冷卻調(diào)節(jié)，使用壽命長(zhǎng)：(2)保證冷卻系統(tǒng)冷卻效果的同時(shí)，不影響制動(dòng)鼓材料的應(yīng)力分布；(3)系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)； 系統(tǒng)具體技術(shù)路線及實(shí)現(xiàn)的功能 冷卻系統(tǒng)原理圖鼓風(fēng)電機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇，產(chǎn)生氣流，氣流經(jīng)過(guò)通電后的半導(dǎo)體制冷片，溫度下降，最后流經(jīng)鼓式制動(dòng)器制動(dòng)鼓風(fēng)冷翅片，產(chǎn)生冷卻效果。 空氣冷卻的優(yōu)缺點(diǎn)在本冷卻系統(tǒng)中，冷卻方式采用強(qiáng)制風(fēng)冷卻。風(fēng)冷卻是指利用流動(dòng)冷空氣對(duì)熱源進(jìn)行冷卻。被冷卻的空氣流經(jīng)待冷卻的部件外圍的風(fēng)冷翅片，可以很大程度地帶走熱量，起到冷卻作用?？諝饫鋮s的優(yōu)點(diǎn)有以下幾條：1. 不需要水直接用作冷卻介質(zhì)，因此用在水上的費(fèi)用高，如生水、補(bǔ)充水及水處理用化學(xué)藥品的費(fèi)用都沒(méi)有。冷卻器的設(shè)置以工廠本身均毋需靠近水源（如河流或湖泊），故水源的熱損失和化學(xué)污染得以預(yù)防。維護(hù)費(fèi)用也減少，因?yàn)椴辉谛枰l繁清洗冷卻器水側(cè)的水垢、微生物結(jié)垢及沉積物等所花費(fèi)的費(fèi)用。且還去掉了相應(yīng)的管線，安裝也更加簡(jiǎn)單；2. 可以連續(xù)操作，即使在動(dòng)力失效時(shí)也可以通過(guò)自然風(fēng)在降低了換熱能力的條件下來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)；，沒(méi)有應(yīng)力?？諝饫鋮s也有其缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)應(yīng)該在設(shè)計(jì)中盡量減小或避免。，空氣的熱導(dǎo)率和比熱要低的多，故使空冷器的初始費(fèi)用要比水冷器多得多；，需要有大量的空氣強(qiáng)制流經(jīng)風(fēng)冷翅片。這可以通過(guò)使用大直徑高速旋轉(zhuǎn)的葉片來(lái)完成，但會(huì)產(chǎn)生很大的躁聲。第三章 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及整體方案 制動(dòng)性能熱衰退機(jī)理分析制動(dòng)器工作時(shí)，摩擦副間產(chǎn)生大量的熱且熱量來(lái)不及散失，摩擦副表面溫度急劇升高，當(dāng)摩擦片溫度升高到一定值時(shí)其表面材料開(kāi)始熱分解和燒蝕，致使其摩擦因數(shù)發(fā)生變化。另外，由于不同剎車(chē)片的制造工藝方法不同，其摩擦因數(shù)也不同；但對(duì)同一塊剎車(chē)片來(lái)說(shuō)，摩擦因數(shù)主要是隨溫度的變化而變化。以石棉摩擦材料為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，導(dǎo)致熱衰退的直接原因就是摩擦副的溫升，故應(yīng)從摩擦副的升溫機(jī)理入手研究。制動(dòng)器工作時(shí)，摩擦片與制動(dòng)鼓劇烈摩擦，汽車(chē)的行駛動(dòng)能主要通過(guò)摩擦轉(zhuǎn)化成熱能，被制動(dòng)器摩擦副吸收，其表征為摩擦片和制動(dòng)鼓的溫度升高。以熱的形勢(shì)耗散掉摩擦能，在接觸表面上形成局部熱源，在短時(shí)間內(nèi)使其表面溫度迅速升高。這些熱量將通過(guò)表層分別向兩摩擦副的內(nèi)外層擴(kuò)散，在兩摩擦副中形成一個(gè)不穩(wěn)定的溫度場(chǎng)。在同一熱源作用下，熱物性不同的物體內(nèi)部所形成的溫度場(chǎng)分布情況有很大差別。金屬摩擦副，熱擴(kuò)散率大，熱量在介質(zhì)中傳播快，受熱影響的區(qū)域大。而有機(jī)材料或聚合物組成的摩擦副，其熱物性較差，容易在表面形成熱量的積聚。 鼓式制動(dòng)器工作時(shí)溫度變化依賴于制動(dòng)鼓內(nèi)的熱平衡關(guān)系，熱量的產(chǎn)生來(lái)源于摩擦片同制動(dòng)鼓內(nèi)表面的摩擦過(guò)程，主要的熱量散失方式是對(duì)流散熱和輻射散熱，其中對(duì)流散熱量約占總散熱量的80％，輻射散熱量約占總散熱量的5％～10％(David B．H， 2000)。制動(dòng)器工作時(shí)產(chǎn)生的熱量一部分通過(guò)各種途徑散發(fā)出去，剩余部分在制動(dòng)鼓和摩擦片內(nèi)部積累，使其溫度升高。根據(jù)熱力學(xué)傳遞機(jī)理，制動(dòng)器的換熱包括傳導(dǎo)換熱、輻射換熱和對(duì)流換熱3種方式。 制動(dòng)器吸收的制動(dòng)能量幾乎全部轉(zhuǎn)換為熱量。制動(dòng)器的熱量產(chǎn)生的過(guò)程和機(jī)理對(duì)制動(dòng)器摩擦表面摩擦學(xué)性能有重要影響。在鼓式制動(dòng)器中,制動(dòng)蹄在管路壓力的作用下壓緊在制動(dòng)鼓上, 當(dāng)二者發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí), 接觸的表面產(chǎn)生摩擦力, 摩擦力所做的功轉(zhuǎn)化為熱量,即在摩擦表面產(chǎn)生熱量。因此, 摩擦力的產(chǎn)生機(jī)理直接決定了摩擦熱的產(chǎn)生。兩個(gè)粗糙表面在干摩擦狀態(tài)下, 摩擦力主要由三部分構(gòu)成:一是在摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí), 雙方微凸體頂峰的相互切削阻力。二是在一定的壓應(yīng)力和局部高溫條件下, 摩擦副微凸體接觸點(diǎn)瞬時(shí)冷焊成為一體, 由于摩擦副的相對(duì)運(yùn)動(dòng), 使這些局部粘結(jié)點(diǎn)分離,克服結(jié)點(diǎn)粘結(jié)的阻力便形成了摩擦力的一部分。 三是存在于摩擦面的磨損物在隨同摩擦運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,一方面有可能重新壓入摩擦面而形成新的微凸峰而產(chǎn)生切削阻力, 另一方面這些磨粒在摩擦面上以滑動(dòng)和滾動(dòng)形式運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,不斷對(duì)摩擦副表面產(chǎn)生切削也構(gòu)成了摩擦力的一部分。其中摩擦界面粘結(jié)的形成和斷裂對(duì)摩擦力有較大的影響, 所以,也直接影響到摩擦熱量。由機(jī)械切削作用而造成的接觸區(qū)域的塑性變形對(duì)摩擦熱有很大的影響。研究表明,消耗在亞表層材料內(nèi)的能量遠(yuǎn)大于接觸面上的能量, 占摩擦熱的絕大部分,且大部分轉(zhuǎn)化為熱量而被摩擦偶件吸收。構(gòu)成摩擦熱量的另一部分是樹(shù)脂基有機(jī)復(fù)合摩擦材料在一定溫度下產(chǎn)生的化學(xué)變化。樹(shù)脂基有機(jī)復(fù)合摩擦材料在一定溫度下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而降解,降解產(chǎn)物包括固體、液體、和氣體。由上述分析可知,摩擦熱量絕大部分是由機(jī)械切削作用和接觸區(qū)域的塑性變形而形成的。金屬摩擦片的硬度要比摩擦材料的大得多, 因此,機(jī)械切削和塑性變形大都發(fā)生在摩擦材料的表層。磨損產(chǎn)物大都來(lái)自摩擦材料并附著在其表面之上不隨摩擦盤(pán)片轉(zhuǎn)動(dòng), 故可認(rèn)為,摩擦熱量產(chǎn)生在摩擦材料表層, 通過(guò)接觸界面?zhèn)鬟f到摩擦片中。 冷卻系統(tǒng)散熱定量分析無(wú)論制動(dòng)過(guò)程中還是制動(dòng)結(jié)束后，制動(dòng)鼓摩擦面區(qū)域?yàn)楦邷囟戎捣植紖^(qū)，其附近區(qū)域溫度梯度較大；離摩擦面較遠(yuǎn)的制動(dòng)鼓底面的溫度場(chǎng)沒(méi)有變化，這是因?yàn)橹苿?dòng)時(shí)間較短；持續(xù)制動(dòng)生熱時(shí)，由傳熱學(xué)知識(shí)知道，熱量向四周傳遞，離熱源較遠(yuǎn)部位的溫度場(chǎng)也會(huì)發(fā)生變化，但是制動(dòng)鼓的高溫部位仍然集中在制動(dòng)鼓摩擦表面的中間部分，且左右兩個(gè)方向上的溫度在逐漸降低。因此冷卻制動(dòng)鼓時(shí)主要的冷卻部位應(yīng)該是在摩擦區(qū)域附近，往制動(dòng)鼓鼓風(fēng)時(shí)，冷卻氣流應(yīng)直接流經(jīng)該區(qū)域，這樣冷卻效果可視為最佳。通過(guò)對(duì)制動(dòng)器的失效分析得知，摩擦片的摩擦因數(shù)隨表面溫度的升高而下降，在200℃之前摩擦因數(shù)從O．4降到0．3，變化緩慢；在200℃以后摩擦因數(shù)急劇下降，制動(dòng)力矩明顯減小，在300℃以后摩擦因數(shù)低于0．15，摩擦片開(kāi)始熱分解，最終致使制動(dòng)性能熱衰退。剎車(chē)片中的石棉在250℃時(shí)就開(kāi)始失去結(jié)晶水，750℃時(shí)就變成粉末而完全失去工作能力，粘結(jié)劑在300℃以下就會(huì)產(chǎn)生降解，使剎車(chē)副摩擦表面的強(qiáng)度降低而喪失工作能力。要使剎車(chē)副正常工作，應(yīng)保證耐溫性較低的一方不發(fā)生破壞。因此，取剎車(chē)片摩擦磨損性能開(kāi)始變化的溫度作為剎車(chē)副的許用溫度。目前汽車(chē)制動(dòng)鼓的常用材料為鑄鐵H1200、HT250、HT300，不同鑄鐵的化學(xué)成分和組分，大體上在一定范圍內(nèi)變化。根據(jù)熱容的加和性原理，即奈曼．考普(NeumannKopp)定律，其比熱容就在一個(gè)不太寬的范圍內(nèi)上下變化，因此對(duì)于同一狀態(tài)下的三種鑄鐵，都依照HT250的比熱容來(lái)分析是可行的。又通過(guò)與錳鋼材料的熱物性對(duì)比，在400℃以內(nèi)，其比熱容也相差不大，因此在取值時(shí)可以大體依照一種制動(dòng)鼓材料選擇。由于制動(dòng)鼓的溫度不是恒定不變的，制動(dòng)鼓的溫度控制范圍主要在200～300℃內(nèi)。 鼓式制動(dòng)器工作溫度對(duì)其摩擦副摩擦因數(shù)有很大影響，通常當(dāng)溫度超過(guò)200℃后摩擦因數(shù)會(huì)隨溫度的升高而不斷降低，如圖5所示： 溫度對(duì)股市制動(dòng)器摩擦材料摩擦因數(shù)的影響 制動(dòng)鼓鼓式制動(dòng)器冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的就是降低制動(dòng)摩擦副的工作溫度，其主體結(jié)構(gòu)和工作原理與普通鼓式制動(dòng)器相同，均通過(guò)制動(dòng)蹄鼓之間的相互作用來(lái)降低車(chē)輪轉(zhuǎn)速；不同體現(xiàn)在制動(dòng)鼓的結(jié)構(gòu)上及冷卻系統(tǒng)上，風(fēng)冷式鼓式制動(dòng)器在制動(dòng)鼓周?chē)囊岳鋮s風(fēng)。通過(guò)這種結(jié)構(gòu)改進(jìn)使氣運(yùn)動(dòng)加快帶走制動(dòng)所產(chǎn)生的熱量，降低制動(dòng)器工作溫度。制動(dòng)器熱衰退試驗(yàn)中設(shè)定制動(dòng)壓力為13 MPa、制動(dòng)初始速度為100 km以上，經(jīng)制動(dòng)拖磨使制動(dòng)鼓初溫達(dá)到65177。5℃時(shí)連續(xù)進(jìn)行9次熱衰退試驗(yàn)，每次間隔35 s。下表為鼓式制動(dòng)器在熱衰退檢驗(yàn)試驗(yàn)過(guò)程中制動(dòng)力矩、制動(dòng)鼓溫度及制動(dòng)蹄溫度的測(cè)試結(jié)果。 溫度數(shù)據(jù)表實(shí)驗(yàn)序次123456789制動(dòng)力矩均值／Nm308230190167149132122116115制動(dòng)鼓平均溫度／℃128203245281306331348355368制動(dòng)蹄平均溫度／℃5594134174207234257281297由以上數(shù)據(jù)得出結(jié)論，鼓式制動(dòng)器的溫度不宜超過(guò)250℃。而經(jīng)過(guò)數(shù)次制動(dòng)之后，制動(dòng)器平均溫度大致達(dá)到300℃。實(shí)例計(jì)算由《汽車(chē)?yán)碚摗?余志生，1990)制動(dòng)性能的試驗(yàn)方法，車(chē)輛從0．8Vmax降到0．4Vmax，再加速再制動(dòng)減速，間隔時(shí)間為4560s，循環(huán)制動(dòng)1520次，最后轎車(chē)制動(dòng)器溫度可升至250270℃，重型貨車(chē)為170200℃，前者是由于最高車(chē)速高，導(dǎo)致制動(dòng)器溫升相對(duì)較快。這里以轎車(chē)為例計(jì)算制動(dòng)鼓的溫升。某轎車(chē)的裝備質(zhì)量為1470kg，其單個(gè)制動(dòng)鼓的質(zhì)量為15 kg，初始溫度為20℃，最高設(shè)計(jì)車(chē)速為150km/h，通過(guò)換算V0==33 m/s，V1= Vmax=17 m/s，設(shè)定制動(dòng)間隔時(shí)間為45s，制動(dòng)減速度為3m/s2，計(jì)算制動(dòng)時(shí)間為：T=(V0V1)/a=又由能量守恒定律：176。1/2Mv021/2Mv12=Q=588kJ通過(guò)實(shí)例